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原文传递 CFRP缆索悬索桥基本性能及若干关键技术研究

论文题名：	CFRP缆索悬索桥基本性能及若干关键技术研究
关键词：	悬索桥设计;缆索线形;桥梁内力;桥梁振动
摘要：	从日本明石海峡大桥(1991m跨径)的建成，到意大利墨西拿海峡悬索桥(3300m跨径)的建设，再到5000m跨径的直布罗陀海峡悬索桥方案的提出，人类将悬索桥向更长大方向推进的步伐越来越大，也越来越快了。传统的钢缆索因抗锈蚀能力差和自重大的缺点，不适用于更大跨径悬索桥的建设中，而碳纤维复合材料(CFRP)因具有轻质高强和耐腐蚀的特点，用在未来超大跨悬索桥中更具优势。由于世界上目前尚无CFRP缆索悬索桥建成的先例，相关文献也很少，因此本文仅就探索性设计的CFRP缆索悬索桥的一些基本问题进行研究。本文首先对悬索桥缆索线形及内力计算进行了系统的研究和探索。内容包括：三种悬链线方程的推导，以及与之相应的分段悬链线法的研究；成桥状态和空缆状态线形及内力的精确计算方法的研究及程序的编制；二次抛物线法的误差分析；CFRP缆索与钢缆索的线形差异比较；主索鞍设计、主缆与鞍槽的切点及两者的接触内力、鞍槽内缆长的计算方法的研究；CFRP主缆索鞍的设计要求探讨。其次对CFRP缆索悬索桥的静力性能进行了研究。先对悬索桥的极限跨径、主缆截面积、承载效率、主缆自重垂度效应作了分析，并比较了CFRP缆索与钢缆索在这几方面的差别。然后对悬索桥的重力刚度的概念作了阐述，并对CFRP缆索悬索桥的重力刚度的估算方法及其变化进行了分析。通过初步设计的2000m跨径的CFRP/钢缆索悬索桥算例，进行了基本静力性能的比较分析和包括垂跨比、跨径比、构件结构形式等七个参数的影响性分析，并给出了相应的设计建议。本文还对CFRP缆索悬索桥的自振特性进行了研究，以便为桥梁的抗风、抗震、车桥共振性能提供分析依据。通过基频估算公式和上述2000m跨径的CFRP/钢缆索悬索桥的有限元数值分析，揭示了CFRP缆索悬索桥的自振特性，通过垂跨比、跨径比等六个参数的影响性分析，给出了相应的设计建议。本文的背景工程——南京六合白果桥，是一座拟创新地部分采用CFRP缆索的混凝土自锚式悬索桥，其部分横梁也计划采用CFRP筋。根据该桥的设计方案，对它进行了全桥静力性能、自振特性和地震响应分析。研究了CFRP-钢混合索股主缆的容重、弹性模量、安全系数等设计参数的计算方法及编制工艺。对CFRP缆索锚固技术进行了试验研究和理论分析，通过6、11、16根CFRP筋的粘结型锚具静载试验和有限元分析，探索性地研究了多根CFRP拉索锚具的静力性能，并提出了两种粘结型CFRP拉索锚具的改进建议，以改善CFRP筋的受力状况并提高锚固性能。由于CFRP缆索悬索桥抗风能力的优劣是备受人们关注的重要问题之一，本文对其也进行了初步探讨。首先论述了与悬索桥抗风性能有关的概念、设计原则、研究方法及其现状。然后给出一种简化的悬索桥横向静风响应计算方法的框架。通过数值方法初次研究了CFRP缆索悬索桥静阵风响应的特点，并验证了前述横向重力刚度变化的结论。最后对CFRP缆索悬索桥的空气静、动力稳定性进行了定性和定量分析，得出了与相关文献一致的结论。
作者：	郑宏宇
专业：	结构工程
导师：	吕志涛
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文